绿色矿山法隧道建设期内风险研究

陈行行 孙国帅，2 胡露露

（1.辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001；2.中大建设股份有限公司工程管理中心，广东 广州 510280）

0 引言

“绿色发展”是我国五大发展战略之一，传统发展常伴随着高污染、高消耗与高投入，这种发展模式不可持续，须向节约资源的绿色低碳循环发展模式转型升级。近日，交通运输部下发了“十四五”发展规划文件，提出大力推进绿色交通基础设施建设。隧道是绿色交通基础设施的重要组成部分，建设绿色隧道将是必然选择。“绿色隧道”是指在全寿命周期内，降低能耗、绿色低碳，节省资源、保护环境，为人们提供一个优良的地下建筑［1］。我国绿色隧道建设正处于初期阶段，节能和环保技术及体系尚未成熟，建造难度比较大、风险因素种类多、危险性高。因此，很有必要对绿色隧道建设期内的风险进行研究和分析，段军朝等［2］利用物联网现代科技，形成瓦斯智能检测系统；王玉锁等［3］利用FIAC有限差分软件建立隧道掘进计算模型。上述研究推动了绿色隧道的发展，但研究仅限于某一特殊工序，对绿色矿山法隧道风险因素缺乏整体性分析。因此，本研究从两方面进行切入，一方面是对绿色隧道建设过程中较为常见的风险进行分析；另一方面通过绿色矿山法隧道工艺过程进行分析，旨在完善绿色矿山法隧道风险因素体系，为相关研究者提供意见和建议。

1 风险因素

1.1 坍塌风险

隧道坍塌主要发生在掌子面或者掌子面前段，岩体处于裸露状态，未能及时施作初期支护，造成掌子面不能承受围岩与周围的水土压力，又或者是岩石较软，再有地下水的侵蚀和软化，导致岩体强度降低。因隧道环境、岩性不同造成隧道坍塌的位置、时间以及影响范围等也不同，表1 为隧道易失稳的围岩类型。

表1 隧道易失稳围岩类型

1.2 有毒有害气体风险

在含有瓦斯气体地层进行绿色矿山法隧道施工风险极大，安全控制难度较高。瓦斯是各类气体的混合物，如CH4、CO2、N2以及少量惰性气体，在相同的大气压下，瓦斯密度比空气密度小，因而在隧道顶部、断面改变处累聚，少量瓦斯气体并不会造成太大危险，但浓度达到一定程度后会造成隧道内含氧量过低，使作业人员窒息死亡。瓦斯爆炸是指瓦斯气体和空气混合后遇到高温点火源形成的剧烈化学反应。

1.3 地下水风险

地下水对隧道的影响主要分为两类，一类是涌水，涌水又可分为开挖面涌水、区间涌水、门洞涌水。如图1 所示，三者发生机理并不完全相同，但均是由于隧道的开挖和振动，导致地应力场变化，平衡状态遭到破坏，围岩和周围地下水产生互动效应，常伴随有土和砂，大面积涌水将会造成人员伤亡、地下水位降低、井水干涸以及地表沉降等危害。

图1 开挖面涌水示意图

另一类是渗漏水，隧道渗漏水发生机理是由于渗流场的变化，导致围岩周围地层水和裂隙水通过渗透流动到达隧道内部，破坏隧道结构稳定、腐蚀隧道设备，尤其是在地质复杂的环境下，地下水处理不当会造成较大影响。

1.4 工艺过程风险

在绿色矿山法隧道施工过程中，风险蕴含在每个工序之中，绿色隧道施工流程为：超前支护—开挖—初支—防水层—二衬。

1.4.1 超前支护。超前支护通常设置在围岩自承能力差、自稳时间短的隧道，超前支护形式和种类见表2。常见超前支护过程的风险因素有：①加固方式与方法不匹配；②存在岩溶潜水、承压水、钻孔后涌水；③超前方案不合理；④注浆后未达到规定强度进行下一道工序施工；⑤注浆压力过大，导致注浆管炸裂；⑥浆液配合比不合理。

表2 超前支护类型

1.4.2 开挖。根据施工技术的复杂程度、隧道断面尺寸、周边地质情况等因素选择隧道开挖工法，若围岩自承能力好，又无地下水的影响，可使用全断面开挖法；若围岩稳定性差，又有地下水的影响，可使用分部开挖法并辅以降水措施。隧道开挖的风险因素有：①开挖方式选择不当；②装药量不当；③炮眼布置不合理；④开挖步距过长或过短，支护不及时；⑤突发性涌水，存在不确定因素。

1.4.3 初期支护。初期支护主要承受围岩变形和应力释放，保障隧道结构安全，通常情况下采用喷锚支护，在围岩破碎地带还需要钢拱架和钢筋网配套使用，并和二次衬砌共同作用形成韧性复合结构。初期支护的风险因素有：①锚杆不符合要求；②喷射混凝土配合比差；③初期支护背后空洞；④钢拱架未设置钢垫板，直接立于虚渣上；⑤锚杆未钻至设计位置；⑥水泥浆液不符合设计要求；⑦初期支护不及时；⑧钢筋网片未与钢拱架焊接。

1.4.4 二次衬砌。二次衬砌结构和初期结构共同作用，保证隧道结构稳定，二次衬砌的风险因素有：①混凝土未达到拆模强度，致使混凝土塌陷掉落；②模板台车强度、刚度低；③泵送混凝土配合比不合理；④未振捣密实，致使混凝土强度较低以及混凝土表面缺陷；⑤端头模板拼接不严，隧道转弯处封堵不严及厚度不足；⑥防水层铺设不合理、不规范。

2 风险对策

2.1 坍塌风险对策

开挖方式的选择是影响绿色隧道稳定性的因素之一，合理的掘进技术可以减少隧道坍塌现象的发生，其原理是通过避免多次扰动开挖面周围岩层，从而降低掌子面围岩的变形引起失稳坍塌等情况。对现有超前支护形式进行归纳总结，当围岩具有一定的自承能力时可采用在岩层中施打超前锚杆，并配合钢拱架使用；当围岩强度低、岩体较为破碎时，可以加大初期支护体系的强度和刚度，并施作超前小导管注浆，缩短钢筋网的间距；当隧道围岩极其破碎可以采用钢拱架与管棚相配合的方法来抑制隧道坍塌。

2.2 有毒有害气体风险对策

隧道内有毒有害气体的防治主要是通过加强通风，防止出现瓦斯浓度超限或者隧道局部瓦斯积聚的情况。由于隧道处于一个相对封闭的空间内，隧道设计又多为曲线形，造成弯道较多，并且对外洞口较少。因此，必须有配套的检测仪器来加强隧道有毒有害气体的监测。

2.2.1 隧道通风。施工期间隧道通风是一个较为复杂的系统，不仅需要满足日常作业所需的风量，还需要考虑瓦斯隧道通风，具体考虑因素如下。

①洞内作业人员所需风量Q1，根据式（1）计算。

式中：4 为人均每分钟所需空气量，m3/min；k为风量备用系数；m为洞内同时工作的最多人数。

②洞内工作的内燃机械所需风量Q2，根据式（2）计算。

式中：ps为隧道内施工作业机械的总功率，kW；4为内燃机每千瓦每分钟需风量，m3/min。

③隧道爆破通风排烟所需风量Q3，根据式（3）计算。

式中：A为炸药消耗量，kg；S为隧洞断面面积，m2；L为通风换气长度，m；t为通风时间，min。

④洞内最小风速Q4、最大风速Q5，根据式（4）和式（5）计算。

式中：Vmin为最小通风风速，m3/min；Vmax为最大通风风速，m3/min；Smax为隧洞最大断面面积，m2；Smin为隧洞最小断面面积，m2。

⑤风管的百米漏风率和风管内摩阻系数、风压摩阻和局部损失。

根据隧道的设计断面大小及瓦斯地层通风要求，选择适当的通风方式，瓦斯长距离隧道可以采用混合式通风，在隧道外部和隧道错车洞分别设置220 kW 压入式风机，形成多台接力，并在距离开挖面30～40 m处设置吸出式风机。

2.2.2 有毒有害气体监测。建立瓦斯浓度自动检测、矿山法隧道实时监控、重大危险源视频监控、隧道施工人员定位以及劳务实名制的“五位一体”的矿山法隧道安全防控体系平台。在隧道开挖面、断面改变处、隧道顶部、错车洞等重点部位安装光学瓦斯检测仪、H2S 检测报警仪以及隧道流动风速监测传感器，当隧道内瓦斯浓度超过标定浓度或流动风速较低时，洞内与视频控制中心均会发出声光报警。平台系统应具有CH4断电仪和CH4风电闭锁装置的全部功能，利用物联网、大数据以及无线传输等现代科技手段实现风险源智能化监控，遇到危险时，应急系统会迅速启动，视频监控中心可立即向施工现场发出应急指令。

2.3 地下水风险对策

地下水在隧道建设期内是最为常见、最为活跃且影响较大的风险因素，地下水的防治可分为“排”和“堵”或两者相结合的方法。“排”主要是通过超前地质报告预发位置和地下水量选择合理的排水方案，通过埋入排水盲管或排水盲沟，使隧道内部地下水排出洞外，不同隧道允许最大排水量如表3 所示。“堵”是指在渗漏水处注浆，改变地下水流向。地下水的防治需要根据植被生态的需水量计算隧道允许最大排水量Qmax［4］，如式（6）所示。在满足生态需水量后还应考虑地下水对衬砌结构的压力，通过折减系数、数值分析或者模型试验研究地下水压力对衬砌结构的影响。

表3 不同隧道允许最大排水量

式中：μ为贮水系数；qt为最大涌水开始到t时涌水总量，m3/（d·m）；T为导水系数；t为计算时间，d；y为疏干漏斗半径，m；L为隧长，m；B为隧宽，m；h为允许地下水最大下降深度，m。

2.3.1 超前地质预报技术。超前地质预报可以探明开挖前方地层构造形态、规模大小、位置，预测分析未开挖岩体构造，提前做好应对措施。因此，超前地质预报技术备受关注，经过不断的尝试和应用，超前地质预报技术也逐步趋于成熟和稳定，构建了以宏观地质分析和超前钻孔分析为基础，瞬变电磁法、探地雷达、红外线探测法并行的超前地质预报体系，每种方法在应用中均有优缺点。如宏观地质分析主要依靠预测人员经验，预报精度低；超前钻孔可以直接查看开挖面前方围岩情况，但钻孔之间的围岩无法查看，作业强度大，成本高；瞬变电磁法在含水地质构造中反应灵敏，可以探明位置和尺寸，但易受金属结构、锚索等的影响；探地雷达对裂隙、断层、破碎带识别能力强，反应灵敏，但也易受金属结构、锚索等的影响；红外线探测只能定性判断，不能探明位置。因此，需要结合隧道风险类型和等级来选用一种或多种组合的超前地质预报方法［5］。

2.3.2 结构防水。结构防水是以提高混凝土结构保护层的厚度以及衬砌混凝土自密性为基础，对接缝、接头等部位进行止水带的敷设为重点，并做防水层进行补强，形成较为严密的防水体系，建立防水体系的同时还要充分考虑地下水水压对衬砌混凝土结构的影响，地下水水压可分为地下水静水压和围岩孔隙水压两种。

地下水静水压对衬砌混凝土的影响可通过折减系数法定性判断得出，最关键的折减系数依据隧道周边地质水文情况、隧道渗流场以及排水体系等条件综合分析后确定，折减系数计算公式为式（7）。

式中：P为衬砌静水压，kPa；c1为水文地质折减系数；c2为渗流场折减系数；c3为排水系统折减系数；γw为地下水重度，N/m3；h为水头高度，m。

围岩孔隙水压力可分为水平孔隙水压ph和垂直孔隙水压pv［6］，计算公式为式（8）和式（9）。

式中：h′为等效地下水位高度，m；x为计算位置到隧道中心的长度，m；r0为隧道半径，m；γw为地下水重度，N/m3。

2.3.3 加强支护参数。富水地层围岩受到地下水的软化与溶蚀，岩体多为破碎，同时存在断层和破碎带的可能，在含有地下水较多的岩层中加强支护参数也是十分必要的，具体如表4 所示，通过提高支护等级来控制地下水的影响。

2.3.4 径向导管注浆堵水。径向注浆堵水和超前导管注浆工艺大致相同，均是利用岩体本身进行防水。因岩体存在不连续性，造成地下水力特征的改变，通过注浆使岩体成为一个连续体，增加岩体的密实度和连续性，浆液可选择水泥单液浆和水泥水玻璃双液浆，围岩裂隙小且水压较大时也可采用水溶性聚氨酯材料，浆液扩散长度如表5 所示。随着环保意识的不断加强，绿色矿山法隧道地下水的防治更要考虑地下水的保护。

表5 浆液扩散长度

2.3.5 材料防水。近年来，防水新型材料不断研发和应用，防水材料可分为刚性材料和柔性材料，见表6。如塑料防（排）水板与无纺布复合使用，它利用防（排）一体的特性，增加无纺布过滤土砂功能。防水卷材在地下水防治中使用最为普遍，稳定性能也较好。隧道防水卷材主要材料可分为增塑聚氯乙烯（PVC-P）、柔软聚烯烃（FPO）和热塑性聚烯烃（TPO）3 种类型，其中PVC-P 对于不规则隧道具有很强的适用性、操作方便，实践案例最多；FPO、TPO 属于聚合物系列，相较于PVC-P 其具有较大刚性和抗腐蚀性，在明挖隧道以及仰拱下部有较多应用。防水涂料的基质材料有乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、丙烯酸甲酯反应性树脂（MRR）和丁苯橡胶聚合物（SBR）［7］，上述喷涂材料不仅具有较好的伸缩性，还存在较强的耐久性，但要格外注意喷涂表面环境条件，喷涂表面平整度、湿度以及腐蚀性地下水对防水效果的影响。

表6 防水材料分类及代表

2.4 初期支护及二次衬砌风险对策

2.4.1 安全风险对策。初期支护和二次衬砌所面临的安全风险主要是防止土或石的掉落，在立架作业工序时应保证隧道作业环境的安全，措施有：①根据超前地质报告数据严格复核，确保准确性；②技术人员对富水地段进行标注，加强观测围岩及渗水情况；③对初期支护、二次衬砌以及模板台车进行荷载计算，验证结构的稳定性。

2.4.2 质量风险对策。二次衬砌最大的质量风险是混凝土厚度不足，导致二次衬砌混凝土厚度不足的原因则是初期支护不平整，初期支护不平整的原因是测量间距过大、炮眼位置布置不合理、炸药量计算不准确等，造成隧道断面存在较多欠挖部位，故将欠挖部位剔除后即可解决初期支护及二次衬砌厚度不足问题。

3 结语

绿色矿山法隧道在建设期内存在诸多风险，该研究主要从坍塌、有毒有害气体、地下水以及初期支护和二次衬砌等方面对绿色隧道风险进行分析，针对不同风险类型，从人员、地质、水文、环境等方面提出相应的对策及建议，因建设期内绿色隧道风险因素较为复杂，且不确定因素较多，这需要项目管理者进行多方面、深层次、全过程的把控，做好精确管理，并根据勘察设计以及地质环境选择施工工法，有针对性地组织绿色隧道的施工，实现目标控制，保证作业安全。目前，绿色矿山法隧道处于初期发展阶段，还须进一步研究绿色隧道技术，如装配式隧道技术、地热技术、雨水循环技术、LED 节能高效照明技术、隧道矿渣综合利用技术等，以此促进绿色矿山法隧道可持续发展。